Netzteil mittels PWM belasten

[Strahleman]

Ich habe hier einmal mit meinem Mega8 eine kleine Testumgebung aufgebaut. Ich wollte ein PC-Netzteil mit diversen Strömen auslasten um es auf Stabilität zu testen. Um dies zu machen, habe ich an einen PWM-Ausgang des Controllers einen MOSFET und Leistungswiderstand gehängt. Daran hängt wiederum das Netzteil. Das klappt soweit auch, nur ist mir aufgefallen, dass das Netzteil bei niedrigen Strömen ein leichtes Pfeiffen von sich gibt, das erst bei einer höheren Belastung aufhört. Das ist aber halb so wild, ich nehme einmal stark an, dass das durch die angelegte PWM kommt ;) Das sollte sich ja durch eine Glättung der PWM hinter dem MOSFET in Griff bekommen lassen.

Viel mehr kommt bei mir die Frage auf, ob ein Netzteil auf Dauer evtl. kaputt gehen könnte. Daher wollte ich mich einfach mal an die Fachmänner hier im Forum wenden um zu fragen: Geht ein Netzteil kaputt, wenn es dauerhaft mit einer bzw. mehreren PWMs belastet wird? Oder kann es das ab ohne, dass ich bei voller Auslastung das Teil in den Elektronik-Schrott-Himmel beförder? ;)

[avion23]

Überleg dir mal, wie die typische Last für ein Netzteil aussieht.



Also ist eine PWM Last sogar ideal um ein Netzteil zu testen. Genau die selben Anforderungen treten z.B. bei Cool & Quiet auf. Wenn es das nicht schafft, wird es auch im normalen Betrieb sterben.

[Strahleman]

Gut, das ist ja schonmal eine Antwort ;) Ich hatte halt nur etwas Besorgnis, da eben dieses Pfeiffen aufgetreten ist, was es beim normalen PC Betrieb nicht zu hören gab.

[shaun]

Weil (PC-)Schaltnetzteile eine Mindestlast und auch eine in weiteren Grenzen festgelegte Lastverteilung (nur +5 oder nur +12 belasten ist idR nicht zulässig) benötigen. Darüber sollte das Pfeifen aufhören.
Die Aussage, PWM sei optimal, ist fragwürdig. Ein PC-Netzteil ist im Betrieb einer gewissen statischen Grundlast und einer starken dynamischen Last (CPU-Stromversorgung, Graka, Festplatten beim Positionieren usw) ausgesetzt, wobei die Schaltregler der Peripherie einigermaßen gut nach aussen (zum Netzteil) entkoppelt sind. Gehen hier die Elkos hoch, folgen die im NT meist bald. Auch die Dynamik von CPU- und GPU-Strom nebst Beiwerk wird durch ihre Wandlerschaltungen einigermaßen gut gefiltert. Dynamische Last ist daher gut und richtig zum Testen, aber eine reine PWM (wie soll ich mir die vorstellen? MOSFET parallel zum Ausgang und dann gib' ihm? Das ist schon von daher Käse, als dass eine PWM auch noch irgendwo eine Glättung, sprich Induktivität, braucht) eignet sich kaum, um eine belastbare Aussage zu treffen.

[Yossarian]

Hallo
Warum PWM? Um das Netzteil zu belasten wird der MOSFET als steuerbarer Widerstand eingesetzt. Um eine Stoßbelastung zu erreichen, kann der FET zusätzlich (mit einstellbarer Frequenz) getaktet werden.
Ordentlicher Kühlkörper ist Vorraussetzung.
Mit freundlichen Grüßen
Benno

[avion23]

Stimmt, das mit der Grundlast habe ich nicht bedacht. Also noch ein, zwei Glühlampen parallel :) Das Pfeifen haben übrigens viele Spannungswandler im Teillastbetrieb.

Trotzdem halt ich eine PWM für optimal. Die Last am Netzteil ist nicht statisch. Man sollte sich nur die Anforderungen für die Rise/Fall Times der Spannungswandler für den core 2 duo anschauen. Das bewegt sich definitiv im Bereich einer PWM die von einem atmel erzeugt werden kann. Die sind natürlich gepuffert, klar. Nur ziehen die Prozessoren und Grakas weniger Strom wenn sie nicht belastet werden, und das muss das Netzteil ausgleichen können. Weil viele Netzteile das nicht konnten, durfte der athlon xp vor einigen Jahren nicht in den C0 State gehen um Strom zu sparen. Die Netzteile konnten einfach nicht so schnell ausregeln und wurden instabil. Wurde deswegen per Bios deaktiviert :(

Als Frequenz würde ich (nur als Hausnummer) einige 100 Zyklen in der Sekunde wählen. Den steuerbaren Widerstand könntest du wie von Yossarian beschrieben per opamp + fet einbauen und diesen wieder per PWM ankoppeln. Ich finde es übrigens gut, dass du dir die Mühe machst. Viele "testen" die Netzteile mit 200 - 300W an Glühbirnen und messen dabei die Spannung mit einem Multimeter. Das ist natürlich kein aussagefähiger Test, so kommt auch ein besseres Stück Draht durch.

@shaun:

Gehen hier die Elkos hoch, folgen die im NT meist bald.
Sicher? Es gab doch vor 2-3 Jahren diesen Kondensatorskandal. Da sind auf den Mainboards reihenweise die Kondensatoren ausgefallen. Aber in dem ZUsammenhang wurden keine abgrebrannten Netzteile erwähnt. Reichen bei 500kHz nicht die Induktivität + ohmscher Anteil der Kabel, um das Netzteil zu schützen?

[PICture]

Hallo!

@avion23!

Ich stimme Dir (fast) voll zu. Meine Meinung nach sollten die 500 kHz, bei richtiger Entkopplung der Spannungen in der Last, bis zum Netzteil überhaupt nicht gelangen.

MfG

[Strahleman]

Ich hole einfach mal etwas weiter aus um mein Problem etwas genauer zu erklären ;)
Ich habe hier bereits eine Schaltung stehen, mit der ich Netzteile mit einem definierten Strom an den verschiedenen Spannungs-Rails betreiben kann. Zusätzlich stehen bei Einzel-Rail-Tests Leistungswiderstände zur Verfügung, die die anderen Spannungs-Leitungen mit ihrer Minimallast betreiben um keinen Fehlbetrieb zu haben. Die Schaltung selber ist mit ein paar parallel geschalteten MOSFETs und Leistungswiderständen zusammengeschustert. Diese werden über einen OP-AMP geregelt. So weit so gut.
Nun war es aber leider nur so, dass es diverse Probleme bei diesem Aufbau auftraten: einige MOSFETs rauchten ab, da sie trotz Vorwiderstand überlastet wurden, da sich die angelegte Last nicht gleichmäßig auf die FETs verteilte. Auch die OP-AMP Steuerung machte ein paar Probleme, wenn man zwei dieser Schaltungen zusammen betreiben wollte.

Von daher bin ich jetzt auf der Suche nach einem passenden Ersatz. Ich habe mri gedacht, dass es am schlausten wäre, auf einen einzigen MOSFET bzw. HEXFET zurückgreift, an dem ausreichend Leistungswiderstände in Parallelschaltung (also die Widerstände) hängen. Durchgeschaltet wird der FET dann eben per PWM. Vorteilhaft wäre es dort auch noch, dass man mittels A/D-Wandler später einmal den in der PWM eingestellten Wert ermitteln kann um alles besser zu regeln. Auch Simulationen eines PCs (z.B. Umschalten vom Stand-By Modus in Voll-Last o.ä.) ließe sich mittels Microcontroller besser realisieren. Von daher wollte ich direkt auf PWM zurückgreifen und mit ihr das Durchschalten des MOSFETs steuern.

[shaun]

@avion & picture:
1. welche 500kHz? Ist es Gesetz, dass jeder Spgwandler auf jedem MB mit 500kHz getaktet wird?
2. Picture, WENN richtig entkoppelt wird
- macht der Test mit einem PWM-gesteuerten Strom schon mal gar keinen Sinn (*)
- passiert dem NT natürlich nichts. Darum habe ich ja auch die Kausalität WENN Elkos auf dem Mainboard offen DANN Mehrbelastung für NT-Elkos. Wenn die Zuleitungen für die Schaltfrequenz eine unüberwindbare Impedanz darstellen würden, würde aus dem Schaltregler ohne Eingangskondensatoren ja nichts mehr rauskommen - ist aber nicht so, allerdings steigt die Stromaufnahme desselben und damit die Ausfallwahrscheinlichkeit der Schalter, idR MOSFETs.

(*) Wohingegen ein Test mit wechselnder Last, die ja meinetwegen auch mit dem PWM-Modul eines AVR erzeugt werden kann, sehr sinnvoll ist.
Für mich las sich das Posting aber zunächst so, als wolle der Fragesteller auf die Verluste einer konventionellen Last verzichten und so, wie man mit hohen Frequenzen Spannungen erzeugt, nun einen Strom senken. Das geht im Prinzip auch, aber einfach D+S mit den Ausgangsklemmen eines NT verbinden und dann eine PWM draufgeben halte ich für sinnfrei.

Was die Ausfälle von Elkos angeht: die publizierten "Skandale" sind mir egal, wir reparieren jede Woche mehrere Mainboards für Industriekunden, da hat man sich über die Jahre einiges Zurechtgemessen und Erklärungen konstruiert und eine davon ist, dass wenn die Elkos auf der Primärseite eines Schaltwandlers sterben, die Welligkeit des aufgenommenen Stroms stark ansteigt und die Elkos im NT mitnimmt.

[Strahleman]

(*) Wohingegen ein Test mit wechselnder Last, die ja meinetwegen auch mit dem PWM-Modul eines AVR erzeugt werden kann, sehr sinnvoll ist.
Für mich las sich das Posting aber zunächst so, als wolle der Fragesteller auf die Verluste einer konventionellen Last verzichten und so, wie man mit hohen Frequenzen Spannungen erzeugt, nun einen Strom senken. Das geht im Prinzip auch, aber einfach D+S mit den Ausgangsklemmen eines NT verbinden und dann eine PWM draufgeben halte ich für sinnfrei.

Verstehe nicht ganz genau was du damit meinst. Ich hatte es wie folgt vor:
Ans Gate vom MOSFET die PWM dran, mit der ich dann die Drainspannung steuern kann. Am Source ist ein Widerstandsnetzwerk, welches die vom aufgebrachte Leistung verbrät. Am Drain selber hängt die Spannungsleitung vom Netzteil.
Bei der Schaltung mit einem Operationsverstärker war es bei mir so, dass die MOSFETs sehr heiss geworden sind, da sie nie ganz durchgeschaltet haben und irgendwo die Leistung aber weg musste. So passierte was kommen musste und ein MOSFET nach dem anderen ging hops.

[Lunarman]

schomma auf die Idee gekommen Modellbauracingmotoren damit anzutreiben? Musst nur gucken wie du von 12 auf 7.2 Volt kommst, dann packst du da nen 540 dran, wenn der jede Sekunde an und ausgeht (ersteres OHNE anlaufen :twisted: direkt schwupps Vollgas), höhö dann zieeeeht der Strom ^^

[avion23]

Shaun ist anderer Meinung als ich, dazu sage ich einfach nichts mehr ;)

Zu Strahlemann: Benutz einen N-fet. Source kommt dabei an GND, an drain kommt die Last. Deine Verlustleistung wird aber ziemlich groß sein...

Es wäre wie schon gesagt eine Idee den Widerstand einstellbar in Form eines linear per opamp angesteurten Leistungstransistors zu machen. Der müsste dann aber an drain des n-fets... und damit wäre es schwierig ihn durchzuschalten wenn der n-fet aus ist.

[Strahleman]

@avion23: So wollte ich es auch machen. Keine Ahnung, ob so etwas N-FET oder wie auch immer heisst, wir haben erst dieses Semester ausführlich die Transistoren dran ;)

So, nach reiflicher Überlegung habe ich mich dazu entschlossen, es einmal zu probieren ;) Um das Rechtecksignal, das vom FET kommt zu glätten, wollte ich eine Drossel einsetzten. Hier hätte ich aber noch eine kleine Frage zu: Welche Frequenz sollte die PWM maximal haben, um das Netzteil zu belasten? Oder ist das egal?

Ich habe bei einem Rechenbeispiel eine Maximalfrequenz von 500kHz angenommen. Bei einem Imax=45A und Ugs=10V.
Das macht bei mir eine Induktivität von L=0,44µH. Kommt das hin? (Möchte das lieber nochmal bestätigen bzw. berichtigen lassen, bevor ich hier etwas zusammenbaue, was dann doch nicht so läuft, wie ich es mit vorstelle ;))

[dennisstrehl]

Ich habe bei einem Rechenbeispiel eine Maximalfrequenz von 500kHz angenommen. Bei einem Imax=45A und Ugs=10V.
Das macht bei mir eine Induktivität von L=0,44µH. Kommt das hin? (Möchte das lieber nochmal bestätigen bzw. berichtigen lassen, bevor ich hier etwas zusammenbaue, was dann doch nicht so läuft, wie ich es mit vorstelle ;))

1. Ich weiß nicht genau wie du das jetzt bauen willst - je nach Schaltung denk an eine Freilaufdiode
2. Der Wert dürfte ungefähr passen, bisschen mehr wäre nicht schlecht
3. Die Induktivität einer Drossel mit Ferrit- / Metallpulverkern sinkt mit steigendem Strom, das bitte berücksichtigen.
4. Diode, Schalter und Last wollen alle gut gekühlt werden.

[avion23]

Weißt du denn, wie du den Mosfet mit 500kHz ansteuerst und wie du das Layout machst? Rechne lieber mit <50kHz. 45A sind eine Menge Holz, das schaffen doch nicht mal die Molex stecker, willst du das Netzteil zum Testen aufschrauben und Batteriekabel dranlöten?

War da nicht etwas mit P = U*I ?
P = 12V * 45A = 540W. Das ist ein ganzer Haufen Abwärme, wo geht die bei dir hin? Und WELCHES Netzteil schaft das bitte, möchtest du nur 1kW aufwärts testen???

Bevor du das Netzteil testest, solltest du erstmal wissen wofür es gebaut ist. Bei atx 2.2 Netzteilen (wie auch immer das jetzt heißt) sind 20A auf einer 12V Leitung maximal zugelassen. Ab diesem Limit schaltet die OCP ab! Außerdem kann man bei solchen Strömen schon nicht mehr von stabilen Spannungen wegen der Versorgungsleitungen ausgehen.

[dennisstrehl]

Achso, nochwas vielleicht:
Auf eiskaltmacher.de mal nach "Netzteilteststand" suchen. Ich kann den Aufbau auch mal eben beschreiben: ~30 MosFETs mit Isolierung alle auf einem riesigen belüfteten Kühlkörper. Natürlich ohne PWM angesteuert, denn die MosFETs sollen da die Leistung verheizen.

[Strahleman]

@avion23: Keine Sorge, über Intel ATX Design Guide und EPS Design Guide weiss ich Bescheid. Es ist ja so, dass nicht die einzelnen Rails getestet werden, sondern vielmehr auch die Combined-Power. Und da liegt ein aktuelles Netzteil schon bei rund 35A. Und ich habe lieber etwas Luft nach oben als eine Grenze, sie das Testgerät sehr strapaziert bzw. sogar in die Knie zwingt. Die Aussagen mit den stabilen Spannungen zählt nicht, es gibt ja im Guide eine festgesetzte Toleranzgrenze von +-5%, die muss ein Netzteil auch einhalten, wenn es voll ausgelastet ist ;)
Die Wärme wird auf zwei Alu-Kühlkörper à 200x400mm übertragen.

Angeschlossen wird das Netzteil übrigens über eine extra Platine, die die anfallenden Ströme so verteilt, dass alle Stecker die fließenden Ströme vertragen.

@dennisstrehl: Danke für die kurze Zusammenfassung oben ;)